新型屋顶可折叠除雪装置设计及运动学分析.pdf

机械制造阮文涛等新型屋顶可折叠除雪装置设计及运动学分析基金项目:江苏省大学生创新创业训练计划项目()第一作者简介:阮文涛()男江苏徐州人学士研究方向为机械设计制造及其自动化.:./.新型屋顶可折叠除雪装置设计及运动学分析阮文涛申燚汤雨辉薛子宁袁明新(江苏科技大学苏州理工学院 机电与动力工程学院江苏 张家港)摘 要:为解决我国北方冬季屋顶除雪难的问题设计一种新型屋顶可折叠除雪装置 该装置包括传递机构、除雪机构、松雪机构以及折叠收放机构建立松雪机构的运动学模型验证其通过往复波浪抖动来避免积雪凝结的合理性进行装置制作和实验测试 测试结果表明:该装置不仅能满足 不间断除雪需求而且能实现无雪天气装置的折叠收缩关键词:屋顶除雪折叠机构偏心转子松雪机构运动学分析中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:引言我国北方冬季灾害性暴雪天气时常发生房屋往往因为积雪清除不及时尤其夜间寒冷天气造成积雪凝结而使其倒塌导致人员伤亡、财产损失 目前市场上尚无成熟屋顶除雪装置传统人工除雪不仅劳动强度大、效率低而且不能 不间断除雪 因此屋顶自动除雪装置已成为北方市场急需并引起广大学者的关注 刘立斌等提出了在厂房屋顶建设光伏发电站想法利用太阳能光伏板预防积雪堆积李志龙等在屋顶上设计了一种振动柔性除雪薄膜在振动松雪同时利用新型材料融化积雪王振华依据城市建筑潜热原理进行融雪并对积雪进行能源再回收周增产等依据屋顶型架设计刮板除雪装置实现了积雪分层处理梁云东等在大型建筑上设置挡雪杆以防止积雪应力集中对建筑造成破坏 现有除雪装置设计或重点关注新型阻雪材料或重点关注如何结合屋顶结构进行有效除雪但都缺少对天气情况的考虑 阻雪材料在下雪天作用有限而北方冬季天气寒冷积雪因容易结冰而很难清理 此外现有装置很少考虑无雪天气时的屋顶采光和美观尚不具备折叠收放功能 鉴于此本文设计了一种新型屋顶可折叠除雪装置既能保证暴雪天气下 不间断除雪又能保证无雪天气时的折叠收起 除雪装置的结构设计针对北方冬季除雪需求设计了如图 所示的屋顶可折叠除雪装置 该装置主要包括:传递机构、除雪机构、松雪机构和折叠收放机构等传递机构除雪机构松雪机构折叠收放机构图 新型屋顶折叠除雪装置.传递和除雪机构传递机构主要由两个上下电机同步带动相互平行的机械制造阮文涛等新型屋顶可折叠除雪装置设计及运动学分析上、下滚筒再由滚筒上的滚柱带动可合拢叶片组绕其转动从而将飘落的雪花实时从屋顶传递到屋檐如图 所示 叶片组中相邻叶片采取上下错位堆叠布置当传递机构展开时其可以完全铺开便于积雪传送当传递机构收缩时其可以合拢来配合实现 除雪机构包括安装在屋檐处且与下滚筒平行的除雪滚筒 除雪滚筒上周向交错布置着若干除雪柱通过下滚筒左端的蜗轮蜗杆及锥齿轮啮合传动来带动除雪机构旋转进而对传递到屋檐处的积雪实时快速清理叶片组上滚筒滚柱上电机下电机下滚筒除雪柱除雪滚筒蜗轮蜗杆传动锥齿轮拟合传动图 传递和除雪机构.松雪机构为了避免因天气寒冷而造成积雪凝结在叶片组内部设计了基于偏心转子的松雪机构如图 所示 松雪机构包括 根平行且完全相同的上传动轴、中传动轴和下传动轴 偏心转子以“二三二”组合方式等距刚性固定在 根传动轴上 松雪机构驱动系统呈左右对称以左边为例 根传动轴左端从上到下依次装有上从动轮组、中从动轮组和下从动轮组且两两从动带轮组间分别有上连接轮组和下连接轮组轮组间有皮带连接 当上电机带动上滚筒转动时其左端的驱动轮通过带传动驱动系列轮组实现传动轴及其偏心转子转动进而造成叶片组抖动来有效避免因严寒天气而使积雪凝结成块上电机上传动轴中传动轴下传动轴上滚筒偏心转子皮带驱动轮上从动轮组上连接轮组中从动轮组下连接轮组下从动轮组图 松雪机构.折叠收放机构为了满足除雪装置在不同天气下的收放需求对传递和松雪机构的支撑件采取了可折叠设计机构如图 所示折叠收放机构同样呈左右对称以左边为例该机构在松雪机构的从动轮组和连接轮组两两间连接着可旋转连杆下从动轮组与下滚筒的左端部连接着可旋转末端连杆下滚筒左端同时固定在螺母座上 电机驱动丝杆带动螺母座及下滚筒同时移动从而实现松雪机构中的系列传动轴和传递机构中的叶片组合拢完成除雪装置收缩 B C4上从动轮组上从动轮组连杆上连接轮组上连接轮组连杆中从动轮组中从动轮组连杆下连接轮组下连接轮组连杆下从动轮组末端连杆螺母座丝杆下滚筒电机图 折叠收放机构 松雪机构的运动学建模及分析.松雪机构运动简图松雪机构是除雪装置防止北方寒冷天气造成雪凝结的关键其结构直接决定了装置的松雪性能为此进行松雪机构的建模及运动学分析 首先对其建立如图 所示的运动简图然后在建立其运动模型基础上进行运动分析 由图 可以看出该机构是以盘形偏心转子为原动件以可合拢除雪叶片为从动件的组合式机构 偏心转子 以定值角速度 沿顺时针方向转动 点为偏心转子和叶片的接触运动点从动件中的中叶片 在偏心转子带动下运动并通过、点将动力分别传递到上叶片 和下叶片 再通过叶片间连接点将抖动传动下去进而实现叶片组的往复波浪式振动以达到最终松雪目的O1O2l132AGPBxy1l2l3 图 松雪机构运动简图.叶片运动建模以偏心转子 的基圆圆心 为坐标原点以水平方机械制造阮文涛等新型屋顶可折叠除雪装置设计及运动学分析向和竖直方向分别为 和 轴建立如图 所示的偏心转子运动简图PGOBxyh/K/图 偏心转子运动简图图 图 中相关参数定义见表 表 机构运动有关参数参数含义参数含义上叶片 长度中叶片 转角中叶片 长度中叶片 升程回程运动角下叶片 长度偏心转子 转角上叶片 初始相位角偏心转子 升程运动角中叶片 初始相位角偏心转子 降程运动角下叶片 初始相位角偏心转子 角速度叶片位移中叶片运动行程 )叶片转角数学模型建立为满足装置的抖动松雪要求将盘形偏心转子 的相对位移设计为升降升平型 偏心转子的实际轮廓线由升程、降程和平程三部分构成如图 所示 为了增大偏心转子对除雪叶片的振动效果根据除雪叶片多部件相连的叠加运动规律利用解析法对偏心转子的理论廓线求解建立中叶片 转角 的数学模型:()(升程阶段)()(降程阶段)()除雪叶片数学模型建立通过解析法对偏心转子建立参数方程得到除雪叶片在升程阶段的位移:()通过偏心转子运动规律推导出除雪叶片在降程阶段的位移:()()中叶片 点的位移坐标方程为()()()中叶片 点的位移坐标方程为()()()()()由式()式()可知除雪叶片在不同阶段的位移主要与偏心转子转角 相关由式()式()可知叶片的位移坐标主要由叶片转角 决定而偏心转子转角 决定了叶片转角 的变化再结合叶片的简谐运动可以得出除雪叶片通过转子转动能够实现有规律的上下抖动最终达到松动积雪的作用)叶片速度与加速度模型建立因为偏心转子的 为定值所以转子的转角 和时间 可表示为线性关系即 为方便计算将叶片的运动关系转变为偏心转子转角函数从而得到叶片运动的加速度 和速度:()()()()为了减少偏心转子的运动损伤除雪叶片在升程阶段的速度设计为定值即其加速度 为 联立式()、式()可得叶片升程阶段运动:()()除雪叶片降程运动规律按照简谐运动可推得()()()()由式()可知叶片在升程阶段的速度主要与偏心转子 的升程运动角 有关但是其加速度为 由式()可知在降程运动中其速度和加速度主要与降程运动角 有关 综上所述偏心转子的升程和降程转动角决定了叶片运动过程中的速度和加速度所设计的偏心转子能够满足叶片的抖动效果 由于在升程过程中叶片的加速度为 为了加强偏心转子对除雪叶片的振动效果不同传动轴上的偏心转子初始相位角应设为不同同时应当错位放置不同传动轴上的偏心转子以达到更好的运动效果 实验测试及分析为了进一步验证文中新型屋顶可折叠除雪装置的有效性针对单面屋顶模型进行了如图 所示的实验测试模型制作 限于屋顶模型的狭小面积设计中采用了两根传动轴但不影响实验测试传递机构除雪机构松雪机构折叠收放机构控制板图 实物最终成型图机械制造阮文涛等新型屋顶可折叠除雪装置设计及运动学分析图 给出了装置收放实验测试结果图()显示无雪天气时装置处于收拢状态 当有风雪来临时折叠收放机构在电机驱动下缓缓完全张开如图()、图()所示从而实现整个屋顶的完全覆盖 图 给出了装置在展开状态下的模拟除雪过程实验中利用碎化的面巾纸来模拟雪花 图()显示积雪已经布满除雪装置随后利用松雪机构和传递机构实现积雪边松动、边传递如图()所示 图()显示在除雪机构作用下积雪已经完全被清除 由图 和图 可以看出文中所设计的除雪装置具备了积雪的传递、松动和清除功能且能实现装置收放满足了北方不同天气情况下的组合使用UBU4UCUD/UDU图 装置收放实验测试UBU/L,UCULUDUKL图 装置除雪模拟测试 结语针对北方暴雪天气情况下的屋顶除雪需求设计了一种可折叠除雪装置通过理论分析和实验测试可以得出以下结论:)传递装置通过滚筒带动叶片组转动实现了雪花从屋顶到屋檐的连续传递同时配合除雪机构中的除雪柱满足了积雪 的不间断自动、有效清除避免了屋顶积雪)松雪机构有效利用传动轴及其偏心转子的转动实现了承担雪花传递叶片组的循环往复式抖动避免了因天气寒冷而造成雪凝结降低了屋顶除雪难度)折叠收放机构基于可合拢叶片组通过丝杆螺母副及带传动实现了传递装置的收缩和展开满足了有雪天气除雪和无雪天气采光的不同需求灾害性暴雪天气会造成大量的人员伤亡和财产损失尤其北方显得尤为突出 现有设计装置都未考虑防积雪凝结以及不同天气时的收放功能 因此本装置可有效清除我国北方屋顶积雪同时又不影响日常采光和美观效果极具工程应用价值参考文献:刘立斌邓金城杨志祎等.彩钢厂房屋面光伏电站除雪机器人探讨.科学技术创新():.李志龙陈嘉欣赵一帆等.基于振动力学与智能物联的柔性除雪薄膜设计.河南科技():.王振华.城市降雪资源化利用系统设计与实验研究.北京:北京林业大学.周增产龙智强李秀刚等.整体输送式温室屋顶除雪装置的研制.农业工程学报():.梁云东刘军进李腾等.哈尔滨万达茂滑雪场金属屋面设计关键技术.建筑科学():.解超朱如鹏李苗苗等.鼓形齿联轴器在折叠机构中的应用.机械制造与自动化():.徐俊贺元成.凸轮机构的机械动力学分析.机械管理开发():.温建民付本国.摆动滚子从动件盘形凸轮的自动化设计.中国工程机械学报():.王滋昊王美令马思群.基于有限单元法轮对车轴系统动力学特性研究.大连交通大学学报():.收稿日期: